Лаборатория ведет свое начало от группы А.Е. Чудакова в Лаборатории нейтрино ФИАН. Эта лаборатория была создана в 1964 г. по инициативе академиков М.А. Маркова и Б.М. Понтекорво. Заведующий лабораторией Г.Т. Зацепин при создании в 1971 г. Института ядерных исследований АН СССР возглавил Отдел Лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики, в который была преобразована бывшая лаборатория нейтрино. Соответственно, группа А.Е. Чудакова была преобразована в Лабораторию Лептонов высоких энергий. Заведующий лабораторией А.Е. Чудаков был к тому времени уже членом-корреспондентом АН СССР (избран в 1966 г.).

Основной задачей лаборатории стало создание Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа. В лаборатории были разработаны все детали и компоненты этой установки: от дешевого жидкого сцинтиллятора на основе уайт-спирита до блоков электроники. После разработки типового жидкостного сцинтилляционного детектора объемом 150 литров, он был испытан на маленьком макете телескопа (100 детекторов) собранном на Долгопрудненской научной станции ФИАН. В 1974 г. был запущен более масштабный макет: наземная установка "Ковер" на Баксанской нейтринной обсерватории недалеко от места расположения будущего подземного телескопа. Центральная часть установки "Ковер" представляла собой действующую модель одной из плоскостей подземного телескопа. В то же время эта установка оказалась полезна как самостоятельный инструмент для исследований в области космических лучей. В модернизированном и дополненном виде она работает до сих пор. В состав установки "Ковер-2" ныне входят еще большой мюонный детектор, нейтронный супермонитор и небольшой детектор черенковского издучения ШАЛ. Основные темы научных работ: исследование структуры широких атмосферных ливней, вариации космических лучей, гамма-астрономия сверхвысоких энергий, исследование состава космических лучей сверхвысоких энергий.

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп был запущен в конце 1977 г. и продолжает работать до сих пор. Установка расположена в горной выработке объемом 12 000 м³ на расстоянии 550 м от начала горизонтального тоннеля. Эффективная глубина, на которой находится телескоп, составляет 850 гг*см^-2. Телескоп представляет собой четырехэтажное здание размером 16x16м и высотой 11 м, стены и перекрытия которого собраны из 3200 жидкостных сцинтилляционных детекторов. Полное количество сцинтиллятора в установке около 330 тонн. Основные темы исследований: угловое распределение и кривая поглощения мюонов космических лучей, электромагнитные и фотоядерные взаимодействия мюонов, поток медленных мюонов атмосферного и локального происхождения, группы параллельных мюонов, анизотропия космических лучей, поток мюонов, рожденных нейтрино космических лучей в грунте, наблюдение за нейтринными вспышками, возникающими при гравитационном коллапсе звезды.

В 1995 г. телескоп был дополнен наземной установкой "Андырчи", расположенной на склоне горы непосредственно над ним. Эта установка состоит из 37 сцинтилляционных детекторов площадью по 1 м², расположенных на площади 10⁴ м². Сочетание крупной подземной и наземной установок Андырчи-БПСТ в настоящее время является единственным в мире. Вместе с установкой "Ковер-2" весь комплекс установок Баксанской нейтринной обсерватории основная экспериментальная база лаборатории предоставляет уникальные возможности для исследований в области космических лучей, подземной физики, гамма-астрономии и смежных научных дисциплин.

За время существования лаборатории в ней было защищено 24 кандидатских и 4 докторских диссертации (сотрудниками лаборатории и Баксанской нейтринной обсерватории). Первый заведующий лабораторией А.Е. Чудаков был избран академиком (1987 г.). Работа по созданию Баксанской нейтринной обсерватории была удостоена Государственной премии 1998 г.